(57)【要約】【課題】  従来の方法に比べて、パターン間隔によらず安定的な素子分離領域を形成でき、良質な半導体の製造方法を提供する。【解決手段】  パターンニングされたレジスト２０１の下層に存在する反射防止膜２０２をエッチングし、反射防止膜２０２直下のシリコン窒化膜２０３およびシリコン酸化膜２０４から形成される絶縁膜層までエッチングを終了する。この時パターンの間隔によってはシリコン酸化膜２０４が残留する。シリコン基板２０５に対してシリコン酸化膜２０４の選択比が高いＣ４Ｆ８及びＡｒから構成されるエッチング条件を用いて残留したシリコン酸化膜２０４を処理することにより、シリコン酸化膜２０４が全て除去され、パターン間隔によらずシリコン基板２０５の表面が露出する。次いでシリコン基板２０５との反応生成物２０７を絶縁膜壁に付着させながら徐々にエッチングが進行し、パターン間隔に依存せず十分に丸みを帯びたトップラウンド２０８を有するトレンチ２０６を形成することが可能となる。【選択図】        図２−２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理装置を用いて、シリコン基板上にレジストおよび絶縁層から構成される多層膜をエッチングしてマスクを形成し、該マスクを用いてシリコン基板をエッチングしてトレンチを形成する半導体の製造方法であって、
半導体基板上にトレンチを形成する工程において、高次フルオロカーボンガスＣｘＦｙをソースガスとしてエッチング処理を行いトレンチ上端部に丸み（トップラウンド）を形成することを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体の製造方法において、上記半導体基板上のトレンチ上端部に丸みを形成する際、少なくともＣ４Ｆ８およびＡｒガスを用いることを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体の製造方法において、Ｃ４Ｆ８／Ａｒのガス流量比は１／２０から１／５であることを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体の製造方法において、処理圧力は１．０Ｐａ以下であることを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の半導体の製造方法において、エッチング処理に用いられるソースガスとしての高次フルオロカーボンガスＣｘＦｙは、Ｃ４Ｆ８，Ｃ３Ｆ６，Ｃ５Ｆ８のいずれかもしくはその混合ガスであることを特徴とする半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いてトレンチを形成する工程を含む半導体の製造方法に関する。本発明は、特にトレンチ上端部の丸み（トップラウンド）を形成する工程を含む半導体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップを製造する工程の中で、半導体素子同士を絶縁膜層により分離する工程がある。この工程での半導体基板上の素子分離領域に最近ではＳｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ（ＳＴＩ）が用いられるようになっている。このＳＴＩの形成にはシリコン基板をトレンチ形状にエッチングした後、絶縁膜を埋め込む必要がある。
【０００３】
トレンチの形状や絶縁膜埋め込み方法によっては、トレンチの上端部および底端部においての結晶欠陥やＰＡＤ酸化膜の膜厚不均一が原因と考えられる電界集中が起こる。この解決策として、シリコン基板上のトレンチ上端部と底端部を丸めることが挙げられる。
【０００４】
従来技術として、レジストをマスクとする状態でＨＢｒおよびＣＦ４をエッチングガスとしてシリコン基板上のトレンチ上端部を丸め加工行なった例（例えば、特許文献１参照）や、レジストをマスクとして、シリコン基板上に有すシリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から構成される絶縁膜層をエッチングした後、開口部を有す該シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から構成される絶縁膜層をマスクとして用いてＣＨＦ３およびＨＢｒをエッチングガスとしてシリコン基板上のトレンチ上端部を丸め加工した例（例えば、特許文献２参照）がある。
【特許文献１】特開２００１−３４５３７５号公報
【特許文献２】特開２００４−６３９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、素子分離領域を形成するために、シリコン基板に形成したトレンチ開口部の上端部の丸め加工はこれまで多々行なわれてきた。トレンチ上端部に丸め加工を行なう場合、シリコン基板の上層を構成する絶縁膜層とシリコン基板の開口部側面にエッチングガスとシリコン基板との反応生成物を付着させながらエッチングを進行させるには、処理室内圧力が高いエッチング条件が好まれる。
【０００６】
しかし、近年のデバイス高密化により発生する半導体基板上の隣接するパターン同士が近接に配置された密の部分（パターン密部）の微細化に伴い、トレンチ間隔が今まで以上に狭くなってきている。これに伴い、隣接するパターン同士が近接して配置された密の部分（パターン密部）と、隣接するパターン同士が離れて配置された疎の部分（パターン疎部）との間のエッチング雰囲気状態に今まで以上の差が生じ、この雰囲気差はシリコン基板上のトレンチ形状やトレンチ上端部のラウンド部に影響を与え始めてきた。特にトレンチの上端部にラウンド部を形成するためのエッチングを高圧条件にて行なった場合、パターン密部とパターン疎部との間においてトップラウンドの形状に差が生じ始めていた。
【０００７】
トレンチ上端部のラウンド部を形成させるためにＣＨＦ３およびＣＦ４混合ガスの高圧エッチング条件にてプラズマ処理を行なった場合にも、このパターン密部とパターン疎部との間におけるトップラウンド形状の差を無くすことは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題に対処するため、本発明は、シリコン窒化物およびシリコン酸化物から構成される絶縁膜層をパターンニングされたレジストマスクを介してエッチングし、レジストマスクおよび反射防止膜層を剥離せず、前記エッチング後の絶縁膜層をマスクとしてシリコン基板上のトレンチ上端部にトップラウンド部を形成する場合において、隣接するパターン同士が近接して配置された密の部分（パターン密部）と隣接するパターン同士が離れて配置された疎の部分（パターン疎部）との間のトレンチ上端部に形成されたトップラウンド部の形状差を少なくすることを目的とする。
【０００９】
そのためには、トレンチ上端部にトップラウンド部を形成するためのエッチングを高圧条件（２．０Ｐａ以上）ではなく低圧条件（１Ｐａ以下）にて処理を行う必要がある。低圧条件にて処理を行うには、低圧においてもシリコン基板との反応生成物が多く形成される堆積性の強い高次フルオロカーボンガスＣｘＦｙ例えばＣ４Ｆ８を主たるソースガスとし、Ａｒ混合ガスを用いてエッチング処理を行う。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、パターンニングされたレジストをマスクとして絶縁膜より構成されるシリコン窒化膜およびシリコン酸化膜をエッチングした後、上記Ｃ４Ｆ８およびＡｒ混合ガスをエッチングガスとしてシリコン基板を、低圧条件（１Ｐａ以下）を用いてエッチングし、前記処理条件にて形成された反応生成物を除去するために必要とされるＯ２、ＨＢｒおよびＣＦ４の混合ガスを用いたエッチングを行うことで、隣接するパターン同士が近接して配置された密の部分（パターン密部）と、隣接するパターン同士が離れて配置された疎の部分（パターン疎部）におけるシリコン基板上のトレンチ上端部の形状差が改善される。
【００１１】
これにより、今後予測されるトレンチの更なる微細加工にも対応でき、疎密、特に密部における結晶欠陥やトレンチ内に埋め込まれる絶縁膜の膜厚不均一が改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。図１は、本発明にかかる半導体製造方法が適用されるプラズマ処理装置のプラズマ生成部の構成を説明する図である。図２−１お呼び図２−２は、本発明にかかる半導体製造方法の処理工程を説明する図である。図３は、処理圧力と半導体基板上のトレンチ部のパターン密部およびパターン疎部のトップラウンド長さの差との関係を説明する図である。図４は、処理圧力とトレンチ部上端に形成されるトップラウンドの半径の関係を説明する図である。
【００１３】
本発明による半導体の製造方法（ドライエッチング方法）の詳細を説明する。図１に示すように、本発明にかかる半導体製造方法が適用されるプラズマ処理装置（エッチング装置）は、例としてプラズマを生成する手段としてはＵＨＦ波と磁界を利用する装置であり、アンテナ１０１と、ＵＨＦ透過板１０２と、ソレノイドコイル１０３と、処理台１０７と、高周波電源１０６と、静電吸着電源１０８とを有して構成される。処理台１０７の上にはウェハ１０５が載置され、ウェハ１０５とＵＨＦ透過板１０２の間にプラズマ１０４が生成される。プラズマ源であるＵＨＦ電源からアンテナ１０１を通し入射し、ＵＨＦ透過板１０２を通過して処理室内に到達したＵＨＦ波は、処理室を取り囲むように配置されたソレノイドコイル１０３が発生する磁界との作用により、プロセスガスを伴ってＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）を引き起こし、高密度なプラズマ１０４が処理室内に発生する。
【００１４】
高密度プラズマが処理室内に発生した後、ウェハ１０５は、静電吸着電源１０８により直流電圧の印加された処理台１０７に静電吸着される。また、この処理台１０７は高周波電源１０６とも接続しており、高周波バイアス電圧が処理台１０７に印加され、高密度プラズマ中に局在するイオンに、試料（ウェハ）方向側（下向き）へ加速電位を与えることによりプロセス処理が開始される。
【００１５】
また、プロセス処理中は、真空ポンプおよびターボ分子ポンプならびに該ターボ分子ポンプと処理室との間に設けたバリアブル・バルブから構成される排気構造により処理室内の圧力は調圧可能とされる。
【００１６】
図２−１および図２−２を用いて、図１に示したエッチング装置に本発明にかかる半導体製造方法を適用した場合のウェハの処理過程を説明する。図２−１（ａ）は、ウェハ１０５が、上層から順に露光技術により既にパターンニングされたレジスト２０１、反射防止膜２０２、シリコン窒化膜２０３、シリコン酸化膜２０４、シリコン基板２０５より構成されることを示している。
【００１７】
上記エッチング装置を用いて、パターンニングされたレジスト２０１をマスクとして反射防止膜２０２を、Ｃｌ２およびＯ２混合ガスによりエッチングし（図２−１（ｂ））、次いで、シリコン窒化膜２０３およびシリコン酸化膜２０４より構成される絶縁膜を、ＳＦ６、ＣＨＦ３およびＡｒ混合ガスを用いてエッチングした（図２−１（ｃ））。
【００１８】
次に、高次フロロカーボン（ＣｘＦｙ）の１つであるＣ４Ｆ８およびＡｒ混合ガスによるトップラウンドステップを、圧力０．２Ｐａ、Ｃ４Ｆ８／Ａｒのガス流量比約１／１０のエッチング条件にて６０秒行なった結果、絶縁膜の側壁およびシリコン基板２０５の表面には、反応生成物２０７が堆積した（図２−２（ｄ））。その後、シリコン基板２０５をＯ２、ＨＢｒおよびＣＦ４の混合ガスを用い印加する高周波バイアス電圧を高めに設定しエッチングを行いシリコン表面上に付着して鋳る反応生成物２０７を取り除いた（図２−２（ｅ））。ついで、同様のＯ２，ＨＢｒおよびＣＦ４の混合ガスを用いて、シリコン基板２０５上にトレンチ２０６を形成した（図２−２（ｆ））。
【００１９】
シリコン基板２０５の上層にある絶縁層を構成するシリコン窒化膜２０３およびシリコン酸化膜２０４のエッチングが終了した時点（図２−１（ｃ））で、シリコン基板２０５上に形成されるトレンチ２０６開口部のパターン密部とパターン疎部を比較した場合、図２−１（ｃ）に示されるようにパターン密部においてはシリコン酸化膜２０４が残っているのに対し、パターン疎部においてはシリコン酸化膜２０４がほぼ残っておらずシリコン基板２０５が露出している。ここで、上記のＣ４Ｆ８およびＡｒ混合ガスによりエッチングを行なうと、シリコンが露出したパターン疎部においてはほとんどエッチングが進行しないのに対し、シリコン酸化膜２０４の局在するパターン密部においてはエッチングが進行する。これは多結晶もしくは非結晶シリコンに対してシリコン酸化膜のエッチング速度が速い（選択比が高い）ためである。
【００２０】
また、シリコン基板２０５をエッチングする際、トレンチ２０６開口部側部に存在するシリコン窒化膜２０３およびシリコン酸化膜２０４より構成される絶縁膜の側壁とシリコン基板上のトレンチの側壁に反応生成物２０７が付着する（図２−２（ｄ））。これがサイドウォールとなり、徐々に異方性エッチングが進行するとシリコン基板２０５上に形成されるトレンチ２０６はある角度を持つことになる。このステップは、ＣＨＦ３およびＣＦ４混合ガスを高圧力（２．０Ｐａ以上）にてエッチングを行なう場合と比較して、低圧（１．０Ｐａ以下）においてもシリコン基板２０５との反応生成物２０７もしくは高次フロロカーボン特有のエッチングガスにより構成されるフルオロカーボン多量体（ＣｘＦｙ）が生じやすく、トレンチ上端部のトップラウンド部２０８を形成するのに容易なことが特徴である。
【００２１】
上記Ｃ４Ｆ８およびＡｒ混合ガスによるエッチングが完了した際には、半導体基板上の表層に現われたシリコン基板２０５の削れ量およびテーパー具合はパターン密部およびパターン疎部において近接したものとなり、シリコン基板２０５上のトレンチ２０６開口部のパターン密部およびパターン疎部において形状差が改善される。これは前記した通り、多結晶もしくは非結晶シリコンに対するシリコン酸化膜のエッチング速度が速い（選択比が高い）という理由と、エッチング処理圧力が低いことによる異方性エッチングによる効果である。
【００２２】
しかしながら、前記したようにＣ４Ｆ８およびＡｒ混合ガスによるエッチングは、シリコン基板２０５との反応生成物２０７を過多に伴うため、シリコン窒化膜２０３およびシリコン酸化膜２０４より構成される絶縁膜をエッチング完了した後のシリコン基板２０５の表層上に反応生成物２０７が堆積し（図２−２（ｄ））、トレンチ２０６加工の際、エッチングストップを起こす要因になりえる。それを防ぐために、シリコン窒化膜２０３およびシリコン酸化膜２０４より構成される絶縁膜のエッチングとトレンチ２０６を加工する工程との間に高めの高周波バイアス電圧にて、Ｏ２、ＨＢｒおよびＣＦ４の混合ガスのエッチング工程を挿入する必要がある。
【００２３】
ただし、シリコン窒化膜２０３およびシリコン酸化膜２０４により構成される絶縁膜の側壁に付着した反応生成物２０７を全部取り除いてしまうとトレンチ２０６の上端部に十分な丸み２０８が形成されないため、シリコン基板２０５の表層上に堆積した反応生成物２０７を取り除く際には、注意が必要である。
【００２４】
図２−２（ｄ）の状態において、高めの高周波バイアス電圧を印加して、Ｏ２，ＨＢｒおよびＣＦ４の混合ガスのエッチングによりシリコン基板表層の反応生成物を取り除き（図２−２（ｅ））、次いで、シリコン基板２０５をＯ２，ＨＢｒおよびＣＦ４の混合ガスにより加工することによって、肩部に十分な丸み２０８を持つトレンチ２０６を形成することが出来た（図２−２（ｆ））。
【００２５】
さらに、トレンチ２０６の上端部の角度および出っ張り具合はＣ４Ｆ８およびＡｒ混合ガスによりエッチングを行なう際のガス流量比や時間等により所望に制御できる。
【００２６】
Ｃ４Ｆ８およびＡｒ混合ガスを用いたエッチングにおいて多結晶シリコンに対するシリコン酸化膜のエッチング選択比は４．０以上が望ましい。
【００２７】
多結晶シリコンに対するシリコン酸化膜のエッチング選択比があまりに低いと、絶縁膜のシリコン酸化膜がマスクとして働き、シリコン酸化膜の下のシリコン基板はテーパーもしくは裾型形状となる。
【００２８】
また、パターン密部とパターン疎部との間においてトレンチ上端部のシリコン基板の形状が異なると、トレンチ加工終了後までエッチングが進行しても形状は改善されない。
【００２９】
またＣ４Ｆ８およびＡｒ混合ガスにＣＦ４ガスを追加した混合ガスを用いて低圧力（１．０Ｐａ以下）でエッチングを行う場合にはトレンチ上端部にトップラウンドが形成されにくいということに注意されたい。ＣＦ４ガスを添加することにより多結晶もしくは非結晶シリコンに対するシリコン酸化膜の選択比が下がり、シリコン酸化膜に対する多結晶もしくは非結晶シリコンのエッチング速度が上昇して、パターン密部とパターン疎部の間においてエッチングの終了時にシリコン基板への削れ量およびテーパー具合が異なるため、形状差が出やすくなる。
【００３０】
また、ＣＨＦ３とＣＦ４から構成される混合ガスの用いた場合には、低圧力から中圧力（１．５Ｐａ以下）においてはトレンチ２０６上端部に十分な大きさのトップラウンド部２０８を形成することができない。
【００３１】
図３を用いて、本発明で用いたＣ４Ｆ８およびＡｒ混合ガスとＣＨＦ３およびＣＦ４混合ガスを用いた場合のパターン疎部とパターン密部のトップラウンド部の長さの差（疎密差）と処理圧力との関係をウェハ中央部とウェハ端部をパラメータにして測定した結果を説明する。曲線Ａおよび曲線ＢはＣ４Ｆ８およびＣ５Ｆ８ならびにＡｒの混合ガスを用いた場合であり、曲線Ａはウェハ中央部の、曲線Ｂはウェハ端部の測定結果である。曲線Ｃおよび曲線ＤはＣＨＦ３およびＣＦ４の混合ガスを用いた場合であり、曲線Ｃはウェハ中央部の、曲線Ｄはウェハ端部の測定結果である。ＣＨＦ３、ＣＦ４混合ガス系において、疎密差で見るとＣ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、Ａｒの混合ガス計よりもよい結果が得られる。しかしながら、処理圧力とトレンチ２０６上部に形成されるトップラウンド部の半径との関係をあらわす図４に示すように、ＣＨＦ３、ＣＦ４混合ガス系では、トレンチ２０６上部のトップラウンド部２０８の半径は絶対量が不足し、条件としては不適当となる。
【００３２】
なお、本発明は、Ｃ４Ｆ８およびＡｒの混合ガスに限らず、その他の高次フルオロカーボンガスＣｘＦｙガス（例えば、Ｃ３Ｆ６，Ｃ４Ｆ１０，Ｃ５Ｆ８，Ｃ５Ｆ１０等）およびその他の不活性ガス（例えばＨｅ，Ｎｅ、Ｘｅ等）を用いたプロセスにおいても有効である。また、本発明では、プラズマ源としてＵＨＦ波を利用して磁場との相互作用を用いたプラズマエッチング装置を例に挙げているが、本発明の効果はこれに限定されない。マイクロ波ＥＣＲ、ヘリコン波等誘導結合型や容量結合型その他のプラズマ源を用いたプラズマエッチング装置等にも応用できる。
【００３３】
本発明によれば、今後の微細加工にも対応する素子分離を形成する為のトレンチを加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の半導体の製造方法が適用されるＵＨＦプラズマエッチング装置の概略断面図。
【図２−１】本発明の半導体の製造方法による半導体基板の処理過程を説明する断面図。
【図２−２】本発明の半導体の製造方法による半導体基板の処理過程を説明する断面図。
【図３】処理圧力と半導体基板上のトレンチ部のパターン密部およびパターン疎部のトップラウンド量の差との関係を説明する図。
【図４】処理圧力と半導体基板上のトップラウンドとの関係を説明する図。
【符号の説明】
【００３５】
１０１…アンテナ、１０２…ＵＨＦ透過板、１０３…ソレノイドコイル、１０４…プラズマ、１０５…処理ウェハ、１０６…試料台、１０７…静電吸着電源、１０８…高周波電源、２０１…パターンニングされたレジスト、２０２…反射防止膜層、２０３…シリコン窒化膜、２０４…シリコン酸化膜、２０５…シリコン基板、２０６…トレンチ、２０７…反応生成物、２０８…トップラウンド
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４】
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